CN101342664B - 一种复杂空间型面在机质量检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂空间型面在机质量检测系统，它包括：完成零件加工的配备有开放式数控系统的加工中心；三坐标测头，测头在数控机床的数控系统的控制下，用来获取已加工工件型面上离散点几何测量值并发出红外触发信号；测量信号接收装置，用于接收测头发出的红外信号，并将信号传送给数控系统，数控系统将测量值信号通过通信系统传输给用户计算机并且同时控制数控机床主轴停止运动；装有测量控制和误差评定模块的用户计算机，用于通过通信系统与数控系统进行数据交换并通过测量控制和误差评定模块依据测点的理想值与测量值进行误差评定并给出评定结果。采用本发明装置加工过程中可以随时检查工件的质量、保证了工件的加工精度，节约了时间。

Description

一种复杂空间型面在机质量检测系统

技术领域

本发明涉及一种加工中心工件加工质量检测系统，尤其涉及一种运行在加工中心上，利用高精度测头，能自动检测具有复杂空间型面工件质量的在机检测系统。

背景技术

在数控加工过程中，对工件进行测量的传统方法要使用各种常规量具(千分表、卡尺等)或设备(三坐标测量机等)。对于简单的几何量测量，操作者可以在数控机床上直接用量具测量；对于工件的几何特征或空间位置等比较复杂的测量问题，由于常规量具无法解决，操作者必须将工件转移到三坐标测量机上进行。三坐标测量机作为一种精密的测量设备为使用者提供了独立的测量手段，使加工的产品质量能够达到最终的精度要求。但是，三坐标测量机需要由经过专门训练的专业人员去完成测量过程并对测量结果进行理解和判断，检测用软件的学习和应用较困难，检测设备和软件非常昂贵。更重要的是利用这种方法只有当零件加工完毕后才可能发现零件存在的误差，而这时则必须重新将零件搬回机床进行返工或者将其报废。而且在进行修改加工前，还必须重新装夹定位工件。这个过程对任何零件来说都是费时费力的，尤其是对大型、重型零件。此外，重新装夹定位过程中如果存在任何偏差，特别是无法避免的人为因素，都会在工件上产生一些新的误差。这样，不得不再次进行产品的检测和再加工过程。

因此，数控加工过程中使用的常规量具或三坐标测量机等离线测量方法都存在着不可忽视的缺陷。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术的不足，提供一种复杂空间型面在机质量检测系统，本系统将加工中心的数字控制功能和三坐标测量装置的质量检测功能结合在一起，使加工中心具有复杂空间型面质量检测的功能，从而可以节省大量的时间和成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种复杂空间型面在机质量检测系统，它包括：

完成零件加工的配备有开放式数控系统的加工中心；

安装在加工中心主轴上的接触式三坐标测头，所述的测头在加工中心的数控系统的控制下，对已加工工件表面上与用户计算机上的工件模型相对应的测点进行测量来获取工件型面上离散点几何测量值并发出红外触发信号；

测量信号接收装置，用于接收所述的测头发出的红外信号，进行信号调理并将信号传送给所述的数控系统，所述的数控系统将测量值数据通过通信系统传输给用户计算机；

装有测量控制及误差评定模块的用户计算机，用于通过通信系统与所述的数控系统进行数据交换并通过所述的测量控制和误差评定模块依据测点的理想值与测量值进行误差评定并给出评定结果。

本发明与现有技术相比较，由于在配备有开放式数控系统的加工中心上安装了完成在机质量检测功能的接触式三坐标测头、测量信号接收装置，结合运行有测量控制及误差评定模块的用户计算机及实现用户计算机与开放式数控系统交互的通信系统，使得在工件加工过程中不再需要将工件从机床搬到检测设备上，加工过程中可以随时检查工件的质量；同时可以保证工件的加工精度，提高加工过程的生产效率，能以较低的时间成本尽可能及时地检测出现的误差，并更快地修正。

附图说明

图1是复杂空间型面在机质量检测系统整体结构原理图；

图2是测量控制及误差评定模块层次化结构功能模型图；

图3是测量控制及误差评定模块的实现流程图；

图4是CAD模型输入模块实现流程图；

图5是测量路径编程模块实现流程图；

图6是虚拟在机检测过程仿真模块实现流程图；

图7是网络数据传输与接收模块实现流程图；

图8是测量信息误差分离模块实现流程图；

图9是误差值评定算法模块实现流程图；

图10是误差值评定报告输出模块实现流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施作如下说明：

在图1中，接触式三坐标测头通过标准的锥柄安装在机床主轴上。二者的连接非常简便，但应注意的是测头与主轴轴线的对中性。测头的主要功能是在工件表面进行采点，当测头的测端接触到工件表面后发出触发信号并传送给信号接受装置。信号接收装置安装在加工中心的适当位置，用于接收测头发出的触发信号，进行必要的信号调理后将信号传送给加工中心的数控系统，所述的测头为传感器。由于测头与信号接收装置之间以红外线方式进行信号传输，所以信号接收装置安装时需要考虑加工中心在工作过程中不要阻挡接触式三坐标测量测头和接收装置之间的信号传输。信号接收装置传送给加工中心控制系统的仅仅是测头接触到工件表面产生的触发信号，数控系统接收到触发信号后立即控制加工中心伺服系统停止运动并将安装在加工中心主轴处的测头的测端当前坐标位置锁存下来。加工中心的数控系统一方面接收通过通信线路传输过来的需要测量的点的信息，一方面将已经测量完成的工件表面的点的几何信息传送给用户计算机。其中，所述的配备有开放式数控系统的加工中心完成零件的加工功能并可以接受用户对系统进行重新定义和扩展，使系统具有与外部通信的功能。

运行在用户计算机上的测量控制及误差评定模块，集成应用了CAD/CAM工件数据读取显示、测量信息误差分离技术、测量路径自动编程技术、误差值精确评定理论和算法等技术还可实现在机检测全过程的三维动态仿真。用户可以根据个人需求在工件表面上任意选取想要测量的坐标位置点，也可以利用软件的功能在工件表面自动布点。

在图2中，描述了所述的复杂空间型面在机质量检测系统中的测量控制及误差评定模块的整体层次化结构。此系统从整体上划分为主控层、主功能构件(模块)层、子功能构件(模块)层和数据层。主控层是在机检测系统的最高层次，负责与数控系统的数据联系与沟通，根据检测进程，决定调用相应的主功能构件(模块)，并负责主功能构件(模块)之间的数据传递；主功能构件(模块)层包括CAD模型输入、测量路径编程、在机检测过程仿真、网络数据传输与接收、测量信息误差分离、误差值评定算法和评定报告输出共七个主功能构件(模块)。主功能构件(模块)根据当前处理的数据类型与指令标志类型调用相应的子功能构件(模块)，子功能构件(模块)层中的构件(模块)是对上一层的功能细化分解并通过对数据层的访问将处理数据进行存储或调用相关数据信息，并将数据通过数据接口将结果数据传递到上一层中。其中，测量路径编程模块细分为固定检测项目路径模块和用户手动检测点路径模块，分别根据用户选择的工件上的固定检测项目生成检测路径和根据用户选择工件上需要检测的坐标点生成的检测路径，然后将这两个模块生成的测量指令及相关数据传送给数据层的检测路径指令/数据库；在机检测过程仿真模块包括建立机床、工件、夹具和测头三维模型(需要调用数据层中的坐标转换数据及机床、工件、夹具、测头参数)的虚拟在机检测环境模块、用于读取所述的检测路径指令/数据库中的检测代码并对其校验和编译的在机检测数控程序处理模块以及用于提取所述的编译代码得到机床运动信息文件并读入测头的模型数据进行检测过程的仿真检查，然后输出安全的在机检测数控程序到指定文件(网络数据传输模块将其传送给加工中心)的虚拟在机检测过程模块；误差评定算法模块包括平面度、圆柱度和复杂曲面误差值等评定模块分别实现对平面度、圆柱度和复杂曲面轮廓误差等检测数据的处理并给出评价结果；测量信息误差分离模块分为加工机床误差分离模块和测头误差分离模块，分别实现辨识与补偿测量坐标数值中的机床系统误差和辨识与补偿测量坐标数值中的测头系统误差；误差评定报告输出模块分为彩色点云图形显示和报告文档输出，用于评定结果的可视化输出及评定结果的规范化报告输出。

数据层中存储有固定检测项目的检测路径宏程序代码以及检测过程中机床运动控制指令参数、典型加工环境下加工中心动态运行数据、加工中心各部件的几何参数和运动参数、不同型号测头检测参数以及工件检测项目的检测数据等。数据层通过不同数据库的数据管理工具为上一层提供相应的基础数据存储和读取服务。数据层包括检测路径数据及指令数据库、坐标转换数据、机床/夹具/测头数据库、检测/评定结果数据库。其中检测路径指令/数据库用于管理与固定检测项目路径和用户手动检测点路径有关的测量指令/数据表、型面测量指令、测量数据等信息；坐标转换数据库用于存储机床坐标与显示坐标之间转换数据，包括工件、夹具和选取坐标点等数据；机床/夹具/测头数据库用于存储夹具、机床、测头参数数据表；检测/评价结果数据库用于储存测量数据、理想数据、误差评定结果数据。

上述层次化功能模型的建立和应用，可使在机检测系统应用功能构件的研究开发具有良好的可组合的、可外延的功能，包括工件检测项目评定功能的扩展、多种机床动态数据库管理工具的扩展、多种检测报告输出格式功能扩展等，从而形成界面友好、支持多种CAD/CAM数据格式(IGES、STL等标准化格式)、支持多项目检测(平面度、圆柱度和复杂曲面轮廓误差等项目的检测)、支持多种类(文字、图表、图形等)检测报告输出的在机检测系统应用开发。

在图3中测量控制及误差评定模块的整个工作流程是：首先导入工件的IGES或STL文件，将工件模型显示在主界面窗口上。这由主功能构件(模块)层所述的CAD模型输入模块完成。当工件在加工中心粗加工完成后用户就可以根据需要对工件进行测量了，可以用鼠标手动选择检测点也可以选择固定检测项目(可以选择多个检测项目)进行自动布点，并按照选取的先后顺序生成一个检测项目序列。测量路径编程模块根据这个检测项目序列自动生成测量路径数控程序，并将其通过网络数据传输与接收模块传输给加工中心控制系统。为了避免在测量过程中产生干涉碰撞等事故，测量控制及误差评定模块中有一在机检测过程仿真模块。在测量路径数控程序传输给加工中心控制系统前，仿真模块按照上述测量路径在软件环境中模拟工件的检测过程，若仿真过程中发生干涉或碰撞等危险，需要调整测量路径，然后再重复上述步骤进行仿真，直到不发生干涉或碰撞为止。仿真通过后即可将测量路径传送给加工中心。加工中心从刀库中选择放置好的测头并将其安装到加工中心主轴刀柄上，按照传递过来的数控程序，依次测量各个坐标点。测量完成后网络数据传送与接收模块接收测量点坐标信息并将其保存在用户计算机指定文件中。测量控制及误差评定模块的误差分离模块对传送过来的测量数据进行误差分离，分离完成后对照测量点的理想数据进行误差评定。评定结果可以文字或者按照彩色点云的形式输出给用户最终检测报告。

在图4中CAD模型导入模块用于导入零件的理想数据并将其在主界面窗口中重绘，以便用后续过程中用户选择要测量的项目及误差评定结果以彩色点云形式输出。可以导入IGES和STL等格式的数据文件。对于IGES格式文件，由于此格式文件中图形以实体的形式存储，数据参数段存储实体的主要信息。因此程序中针对每类图形实体都设计了各自的数据结构，即不同的实体对应不同数据结构的结构体，并以结构体为节点，形成一个List链表结构。

其具体步骤是：

1)在读取IGES格式文件时，首先定位到文件的数据参数段P，将不同实体的参数读入到相应结构体中，并将其存储到以此实体的结构体为节点的链表中。

2)然后，将IGES文件中的数据按实体类型存储到各自的链表中后，即开始用符合IGES数据结构的程序算法对其调用。根据IGES格式文件中实体的整体拓扑关系，修剪的参数曲面实体处于最高层，对数据的调用应以该实体类型链表的头节点为起点进行遍历。该实体的参数数据段中，索引值为1的参数描述的是要修剪的曲面实体指针，遍历整个存储曲面实体的链表，搜索出与该指针值相对应的曲面实体(曲面实体包含实体类型号为128的NURBS曲面实体和实体类型号为120的旋转面实体。从IGES中提取的NURBS曲面信息可以直接存储到链表中以备调用。120实体需经过转换为NURBS后保存到链表当中)。调用OpenGL中的NURBS绘图函数进行基本曲面的绘制。搜索到每一个(修剪的参数曲面实体)144实体都会对应一条对NURBS曲面进行修剪的外边界曲线以及一组(条)修剪内边界的曲线。其中修剪外边界的曲线实体由144实体的索引为4的参数确定。修剪内边界的曲线实体由144实体的索引为5～4+N2的参数值确定。对每个144实体而言，必定有一条外边界修剪曲线。而内边界修剪曲线的数目有可能为零。

3)最后，遍历参数曲面实体上的曲线实体链表，分别搜索与修剪的参数曲面实体中所描述的指向修剪外边界的指针和N组修剪内边界的指针所对应的修剪曲线实体对绘制的基本曲面进行裁剪。这一步由OpenGL函数中的gluBeginTrim和gluEndTrim函数来完成。

至此一个修剪的参数曲面实体绘制完成。按照此过程重复上述步骤2)、3)。遍历完整个修剪参数曲面实体链表后，零件的CAD模型绘制完成。

在图5中测量路径编程模块包括固定检测项目路径模块和用户手动检测点路径模块，分别用于当工件在加工中心加工完成以后根据用户选择的工件上的固定检测项目生成检测代码和根据用户选择工件上需要检测的坐标点生成检测代码。该模块的流程是，首先判断检测项目序列中是否存在未处理的检测项目。

若是，则判断序列中当前检测项目的类别：

若是用户手动检测点项目，则首先提取用户手动在工件模型表面(由CAD模型导入模块绘制)选取的检测点的理想坐标及其法向量；然后计算各个测点的坐标及其法向避障点坐标以进行测点分布；最后按照各个测点及其壁障点的顺序生成检测代码。至此完成一个用户手动检测点项目的测量路径编程，将其存储到检测代码路径序列中。

若是固定检测项目，则首先提取用户在工件模型表面选取的固定检测项目名及其几何参数，然后根据项目名和几何参数在检测路径指令数据库中搜索是否存有已有的符合条件的检测项目的测量路径代码。若是，则直接将数据库中的指令代码输出，存储到检测代码路径序列中；若否，则根据项目名、几何特征的位置、方向及测点分布规则计算各个测点的坐标及其法向上的避障点坐标以完成测点的分布处理，然后利用检测G代码和运动G代码按照各个测点及其避障点的顺序生成检测代码；最后将生成的检测代码存储到检测代码序列中并按照项目名及几何参数将其保存到检测路径指令数据库中，以备以后出现相同检测项目时直接进行调用。至此完成一个固定检测项目的测量路径编程。

通过以上步骤，完成一个检测项目的测量路径编程。继续判断是否存在未处理的检测项目，若是则仍按上述步骤进行，将测量路径代码按照检测项目序列中的顺序将检测代码依次存储在检测代码序列中。

若否，对检测代码序列以时间最短为目的进行优化处理生成最终检测代码。

在图6中的在机检测过程仿真模块，包括用于调用数据层中的坐标转换数据库和机床/夹具/测头数据库中的相关参数建立各部件模型的在子功能模块层的虚拟在机检测环境模块、用于读取所述的测量路径编程模块生成的检测代码并对其校验和编译的在机检测数控程序处理模块以及用于提取所述的编译代码得到机床运动信息文件并读入测头的模型数据进行检测过程仿真检查，然后输出确认安全的在机检测数控程序到指定文件的虚拟在机检测过程模块；

仿真功能模块的流程是：首先读取绘制机床、夹具、测头及毛坯三维模型的相关数据，建立机床、工件、夹具和测头的三维模型；然后读入测量路径编程模块生成的测量路径数控程序(最终检测代码)，进行数控代码的校验。这主要是为了检查数控程序中的一些基本错误(格式，语法和词法等错误)。此处判断在机检测数控程序校验是否通过：若否，则修改数控程序继续进行在机检测数控程序校验直至校验通过；若是，则进行在机检测数控程序编译。此模块是一个基于规则的分析转换程序，主要是从在机检测数控程序中提取控制机床运动部件运动的有关命令，计算出机床坐标系的位移量。在机检测数控程序编译完成后即进入到虚拟在机检测过程，根据编译过的代码生成机床运动信息文件并读入测头的模型数据来驱动虚拟在机检测环境中模型，进行检测过程仿真及干涉碰撞检查。此处判断是否通过碰撞检查，若否，则修改数控程序重复上述过程；若是则得到确认安全的在机检测数控程序。网络数据输入输出模块将其传送给加工中心，以进行测量。

如图7所示网络数据传送与接收模块用将所述的确认安全的在机检测数控程序传输给所述的数控系统，然后接收所述的数控系统送回的测点数据，并将其保存在用户计算机指定的文件中；

该模块的工作流程是，在将仿真模块生成的测量路径文件传送给加工中心前，首先选择文件的传送方式，若是串口方式则进行串口的初始化设置(包括串口号、波特率、数据位数、停止位位数及校验位等)，若是网口方式则进行网口的初始化设置；完成初始化后在指定目录中选择要发送的测量路径文件；发送选定文件；等待加工中心按照测量路径依次测量所有测点直到加工中心给出测量完成信号；网络数据传送与接收模块接收加工中心控制系统送回的测量完的数据并将其保存到指定的文件中。至此通过网络数据传送与接收模块完成一个测量控制及误差评定模块与加工中心的数据传送与接收过程。

如图8所示误差分离模块包括在子功能模块层的加工机床误差分离模块和测头误差分离模块，分别读取网络数据传输模块传送回的测点数据，并直接调用或通过插值法计算出测量点的误差补偿参数值，然后进行机床系统和测头系统的误差补偿，最后将误差分离后的测量数据保存到指定文件；

该模块的工作流程是，判断加工中心测量完成后得到的一系列测量点中是否存在未进行误差分离的测量点。

若是，则首先判断夹具/机床/测头数据库中是否存在与此测量点相对应的误差补偿数据点，若有则直接从数据库中取出相应点的误差参数值直接补偿机床系统误差和测头系统误差即可；若没有则使用插值算法计算出与此测量点最为接近的一个数据点的误差补偿参数值，然后进行机床系统和测头系统的误差补偿，并将其存储到夹具/机床/测头数据库中以备以后遇到同样的测量点时直接进行调用。至此完成一个测量的误差分离，将误差分离后的数据保存(误差评定模块使用)。

再次进行判断是否存在未进行误差分离的数据点，若有则按照上述步骤进行误差分离，并按照顺序存储误差分离后的数据。若无，则整个误差分离过程至此结束，接下来进行误差评定。

如图9所示，误差评定模块包括在子功能模块层的多个测量值误差评定模块，分别读取所述的误差分离后的测量数据和测量路径编程模块得到的理想数据，然后通过误差评定算法进行误差评定，最后将测量数据、理想数据、误差评定结果数据传输给在数据层的检测/评价结果数据库；

该模块的工作流程是，误差评定模块的开始处接收一个待评定的检测项目序列(此序列中有一个或多个待评定的检测项目)。首先判断整个待评定的检测项目序列中的所有项目是否都完成：若否，判断序列中当前位置处未进行误差评定的检测项目的类型(直线度、圆柱度等)，然后根据当前检测项目的类型，获取相应的理想数据(从测量路径编程模块得到)和经过误差分离后的测量数据(误差分离过程由误差分离模块完成)；再根据检测项目类型选择相应的误差评定算法进行误差评定；一项误差评定完成后将误差评定结果保存在评定结果序列中，至此一个误差评定项目完成。再返回去再判断是否还有未进行评定的项目，若有仍按此步骤进行评定，并将结果顺序地保存在误差评定结果序列中。所有误差评定项目都完成后，则转到误差评定结果输出模块。

若是，则将误差评定报告的结果进行输出；

如图10所示的误差评定结果输出模块用于读取检测/评价结果数据库中的评定结果然后将评定结果输出给用户。

该模块的工作流程是，先判断各种误差评定结果数据中是否存在未输出的评定结果。

若是，首先判断评定结果的项目类型，然后用户选择评定报告输出的方式，若以文档的方式输出，则根据评定的类被选择指定的格式先将评定结果输出到一指定文件中；若以彩色点云方式输出，则先根据评定类别选择指定的图形然后根据评定结果选择指定的颜色，最后保存指定的图像数据至一指定文件中。至此完成一个评定结果的处理。

继续判断是否存在未输出的评定结果，若有仍按上述步骤处理。

若否，则按指定文件中的内容输出评定结果报告。

Claims (1)

1.一种复杂空间型面在机质量检测系统，其特征在于它包括：

完成零件加工的配备有开放式数控系统的加工中心；

安装在加工中心主轴上的接触式三坐标测头，所述的测头在加工中心的数控系统的控制下，对已加工工件表面上与用户计算机上的工件模型相对应的测点进行测量来获取工件型面上离散点几何测量值并发出红外触发信号；

测量信号接收装置，用于接收所述的测头发出的红外信号，进行信号调理并将信号传送给所述的数控系统，所述的数控系统将测量值数据通过通信系统传输给用户计算机；

装有测量控制及误差评定模块的用户计算机，用于通过通信系统与所述的数控系统进行数据交换并通过所述的测量控制及误差评定模块依据测点的理想值与测量值进行误差评定并给出评定结果；

所述的测量控制及误差评定模块包括：用于依次调用主功能模块层中的各功能模块的在机检测系统主控模块，所述的主功能模块层包括：

CAD模型输入模块，用于导入零件的理想数据并将其在主界面窗口中重绘，以便在后续过程中用户选择要测量的项目；

测量路径编程模块，包括在子功能模块层的固定检测项目路径模块和用户手动检测点路径模块，分别用于当工件在加工中心加工完成以后根据用户选择的工件上的固定检测项目生成检测代码或根据用户选择工件上需要检测的坐标点生成检测代码；

在机检测过程仿真模块，包括用于调用数据层中的坐标转换数据库和机床/夹具/测头数据库中的相关参数建立各部件模型的在子功能模块层的虚拟在机检测环境模块、用于读取所述的测量路径编程模块生成的检测代码并对其校验和编译的在机检测数控程序处理模块以及用于提取所述的编译代码得到机床运动信息文件并读入测头的模型数据进行检测过程仿真检查，然后输出确认安全的在机检测数控程序到指定文件的虚拟在机检测过程模块；

网络数据传输与接收模块，用于将所述的确认安全的在机检测数控程序传输给所述的数控系统，然后接收所述的数控系统送回的测点数据，并将其保存在用户计算机指定的文件中；

测量信息误差分离模块，包括在子功能模块层的加工机床误差分离模块和测头误差分离模块，分别读取网络数据传输模块传送回的测点数据，并直接调用或通过插值法计算出测量点的误差补偿参数值，然后进行机床系统和测头系统的误差补偿，最后将误差分离后的测量数据保存；

误差值评定算法模块，包括在子功能模块层的多个测量值误差评定模块，分别读取所述的误差分离后的测量数据和测量路径编程模块得到的理想数据，然后通过误差评定算法进行误差评定，最后将测量数据、理想数据、误差评定结果数据传输给在数据层的检测/评价结果数据库；

误差值评定报告输出模块，用于读取检测/评价结果数据库中的评定结果然后将评定结果输出给用户。

Images